[논문]용융탄산염형 연료전지에서 과전압에 미치는 전극두께의 영향

이충곤; 이성윤; 류보현; 김도형; 임희천

doi:10.5229/jkes.2010.13.1.034

용융탄산염형 연료전지에서 과전압에 미치는 전극두께의 영향
Effect of Anode Thickness on the Overpotential in a Molten Carbonate Fuel Cell 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.13 no.1, 2010년, pp.34 - 39

이충곤 (한밭대학교 화학공학과) , 이성윤 (한밭대학교 화학공학과) , 류보현 (두산중공업 기술연구원) , 김도형 (한국전력공사 전력연구원) , 임희천 (한국전력공사 전력연구원)

초록
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본 연구에서는 용융탄산염형 연료전지의 연료극 전극두께가 과전압에 미치는 영향을 $100\;cm^2$ 급 단위전지를 사용하여 검토하였다. 용융탄산염형 연료전지에서의 수소 산화속도는 충분히 빨라 전극면적이 성능에 크게 영향을 미치지 않을 수 있어, 본 연구에서는 전극의 기하학적 면적의 크기가 과 전압에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 평가는 정상분극법과 비활성가스 계단형 첨가법 (ISA)와 반응물 첨가법 (RA)를 사용하여 연료극 두께 0.77 mm와 0.36 mm에 대해 수행하였다. 평가결과 두 전지에서 연료극 과전압이 거의 동일하게 관찰되어 연료극 두께에 의한 과전압의 차이는 발생하지 않았다.

Abstract ▼ AI-Helper

This work investigated the effect of anode thickness on the anodic overpotential with $100\;cm^2$ class MCFC single cells. The hydrogen oxidation rate in the molten carbonate is sufficiently high, which may lead to weak relation of overpotential with anode geometrical area. The relation of anode surface area and overpotential was analysed in terms of anode thickness in this work. Steady state polarization, inert gas step addition (ISA), and reactant gas addition (RA) methods were employed to the two cells with 0.77 mm and 0.36 mm thickness of anode. The result represented that the anodic overpotential at the cells were identical. It implied that the anodic overpotential was independent on the electrode thickness within the tested range.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 이유로 연료극은 액체 전해질을 저장하는 저장고 역할도 수행하게 된다.⁸⁾ 따라서 연료극의 활성표면적이 전극반응 및 성능에 크게 영향을 미치지 않을 수 있다는 가정이 가능하여, 본 연구에서는 연료극의 두께를 변화시킨 경우의 반응특성 및 성능을 100cm²급 단위전지에 대해 ISA 및 RA법을 사용하여 검토하였다.
그러나 이 정상분극 결과는 식(2)에 나타나 있듯이 총 전압손실만을 나타내기 때문에 내부저항에 의한 오옴손실, 연료극 및 공기극의 과전압의 정도를 파악할 수는 없다. 따라서 본 연구에서는 연료극 두께변화에 따른 과전압의 영향을 검토하고자 ISA법과 RA법을 사용하여 연구를 수행하였다.

제안 방법

이에 비해 공기극 과전압은 CO₂에 비해 용해도가 약 1/10정도인 O2의 물질전달이 율속과정임이 제안되어 있다.¹²⁾ 본 연구에서는 연료극 과전압을 유발하는 요인의 해석의 한 방법으로 반응물 첨가법 (RA)를 사용하여 H₂와 CO₂에 의한 과전압 정도를 해석하여 보았다.
6 L min^-1의 범위에서 MFC를 사용하여 계단형으로 첨가하였다. 가스 첨가와 동시에 전압 거동을 오실로스코프를 사용하여 측정하였다. 기타 ISA 및 RA법에 관한 보다 상세한 내용은 참고문헌[6, 7]에 기술되어 있다.
비활성 가스는 전지로부터 수 미터 앞의 가스공급선에 첨가 되어 도입구와 전지 사이의 공간이 전지 내부의 가스유로 체적보다 크게 유지되도록 하였다. 반응물 가스 첨가법은 Fig 1의 inlet port에 anode에는 H₂, CO₂를 0.1~0.6 L min^-1의 범위에서 MFC를 사용하여 계단형으로 첨가하였다. 가스 첨가와 동시에 전압 거동을 오실로스코프를 사용하여 측정하였다.
정상분극법은 개회로상태일 때의 전압을 측정하고 일정 시간이 지난 후 전류부하기를 사용하여 전류가 50, 100, 150 mA/cm² 일 때의 전압을 측정하였다. 비활성 가스 계단형 첨가법은 150 mA/cm²일때 Fig. 1의 inlet port에 질소를 0.1~1 L min^-1의 범위에서 Mass Flow Controller(MFC)를 사용하여 계단형으로 anode 와 cathode에 첨가하였다. 비활성 가스는 전지로부터 수 미터 앞의 가스공급선에 첨가 되어 도입구와 전지 사이의 공간이 전지 내부의 가스유로 체적보다 크게 유지되도록 하였다.
연료극의 전극두께를 0.77 mm와 0.36 mm으로 한 두 종류의 100 cm² 급 MCFC 단위전지를 사용하여 연료극의 과전압을 비활성 계단형 첨가법 (ISA)과 반응물 첨가법(RA)을 사용하여 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
이러한 거동은 전극의 기공구조에 상관성을 가질 것으로 예상되어 수은을 사용하여 기공구조를 측정하여 보았다. Fig.
저자들은 MCFC의 성능특성을 이해하고자 전지에서의 전극반응특성을 해석해 오고 있다. 전지에서의 반응해석법으로서 기존의 정상분극법 (Steady state polarization), 교류임피던스법 (AC Impedance) 및 전류차단법 (Current Interruption)이 있으나 이 방법들은 각 전극에서의 과전압을 해석하는데 한계를 가지고 있어 보다 안정하게 전극반응을 해석할 수 있는 방법으로서 비활성가스 계단형 첨가법 (Inert gas step addition, ISA)과⁶⁾ 반응물 첨가법 (Reactant gas addition, RA)을⁷⁾ 고안하였다. ISA법은 전극에 비활성가스를 계단형으로 첨가하여 반응물의 유량변화 및 분압변화를 유발하여 반응특성을 해석하며, 반응물 첨가법은 전극반응이 다성분계 반응시스템으로서 이 중의 한 성분을 계단형으로 첨가하여 그 성분이 유발하는 과전압의 정도를 해석할 수 있는 방법이다.
전지의 과전압 측정을 위해 정상분극법(Steady state polarization, SSP), 비활성 가스 계단형 첨가법(Inert gas step addition, ISA), 반응물 가스 첨가법(Reactant gas addition, RA)을 사용하였다. 정상분극법은 개회로상태일 때의 전압을 측정하고 일정 시간이 지난 후 전류부하기를 사용하여 전류가 50, 100, 150 mA/cm² 일 때의 전압을 측정하였다. 비활성 가스 계단형 첨가법은 150 mA/cm²일때 Fig.
전지 운전온도는 650℃였으며 대기압에서 운전하였다. 통상의 MCFC 단위전지 운전에서 연료극 가스는 H₂, CO₂, H₂O를 69 : 17 : 14 mol%로 공급하였고, 공기극 가스는 Air와 CO₂를 70 : 30 mol%로 공급 했다. 가스는 MFC를 통해 유량을 조절하여 공급하였으며, H₂O는 Bubbler 가습기를 통하여 공급하였다.

대상 데이터

주요 구성요소의 자료는 아래 Table 1과 같다. Cell I은 연료극의 두께가 0.77 mm였으며, Cell II의 경우는 0.36 mm로서 Cell I에 비해 절반정도 두께의 연료극을 사용하였다.
본 연구에서는 한전 전력연구원에서 제공받은 약 100cm²급의 MCFC 단위전지를 사용하였다. 주요 구성요소의 자료는 아래 Table 1과 같다.

이론/모형

전지의 과전압 측정을 위해 정상분극법(Steady state polarization, SSP), 비활성 가스 계단형 첨가법(Inert gas step addition, ISA), 반응물 가스 첨가법(Reactant gas addition, RA)을 사용하였다. 정상분극법은 개회로상태일 때의 전압을 측정하고 일정 시간이 지난 후 전류부하기를 사용하여 전류가 50, 100, 150 mA/cm² 일 때의 전압을 측정하였다.

성능/효과

Cell II의 Macro pore의 평균크기가 약 2µm로서 Cell I의 Macro pore의 평균크기인 약 3 µm에 비해 작아, Cell II의 평균 기공크기가 Cell I에 비해 작은 것을 알 수 있었다.
6은 H₂와 CO₂에 대한 각각의 ∆V_H2 와 ∆V_co2값을 나타내고 있다. 두 경우 모두 양의 값을 나타내는 것으로부터 연료극에 두 성분의 물질전달 저항에 의한 과전압이 존재함을 나타내고 있으며 두 경우 모두 첨가량의 증가에 의해 과전압의 감소가 증대되어 V 값이 증가함을 알 수 있다. Cell I에 대해서 ∆V_H2가 ∆V_co2에 비해 적게 나타난 것으로부터 CO₂의 공급부족에 의한 과전압에 비해 H₂의 공급부족이 훨씬 적은 것을 알 수 있다.
두 전지에서 모두 선형의 상관관계가 성립함을 알 수 있고, 이 직선의 기울기로부터 구한 qan 값은 Cell I에서는 159 mV였으며 Cell II의 경우는 160 mV 로서 두 전지에서 유사한 값을 얻었다.
둘째, 그러나 0.36 mm 두께의 연료극의 경우 0.77 mm에 비해 평균 기공크기가 작아 이에 의해 CO₂의 확산에 기인하는 과전압이 더 크게 발생한 것으로 생각된다. 이에 비해 H₂의 확산에 의한 과전압이 0.
두 전지에서 모두 선형의 상관관계가 성립함을 알 수 있고, 이 직선의 기울기로부터 구한 q_an 값은 Cell I에서는 159 mV였으며 Cell II의 경우는 160 mV 로서 두 전지에서 유사한 값을 얻었다. 이 결과는 두 전지의 연료극에서 발생하는 과전압이 거의 동일함을 나타내는 것으로서, 전극의 두께를 약 절반으로 줄였음에도 불구하고 연료극에서 발생하는 과전압에는 차이가 없다는 것을 알 수 있었다. 그리고 연료극의 수소산화속도가 충분히 빠르게 진행되어 전극의 삼상계면인 전극활성면적에 과전압이 크게 의존하지 않는 것을 나타낸다고 할 수 있다.
77 mm에 비해 평균 기공크기가 작아 이에 의해 CO₂의 확산에 기인하는 과전압이 더 크게 발생한 것으로 생각된다. 이에 비해 H₂의 확산에 의한 과전압이 0.36 mm의 두께의 연료극에서 더 작게 발생하여 수소의 확산이 더 용이하게 이루어 진 것을 알 수 있었다.
첫째, 연료극 두께를 0.36 mm로 줄인 경우에도 0.77 mm와 연료극 과전압의 차이가 없는 것이 관찰되었다. 이것은 MCFC의 연료극이 충분히 빠른 반응속도를 가지고 있어 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용융탄산염형 연료전지의 특성은 무엇인가?	용융탄산염형 연료전지(MCFC)는 전해질로서 약 650o C고온의 용융탄산염을 사용하므로, 수소 산화반응의 교환 전류밀도가 약 100 mA/cm2 정도이고,1,2) 산소환원반응의 경우는 약 30 mA/cm2 정도로서3,4) 수용액 전해질의 산소환원반응속도에 비해 약 107배 정도 빠르다고 할 수 있다.5) 이러한 빠른 전극반응 특성으로 저온형 연료전지가 가지는 일산화탄소 피독현상이 발생하지 않고, 오히려 일산화탄소를 연료로 사용하는 특성을 가지게 된다.
	용융탄산염형 연료전지가 대형발전시스템으로 개발되어 사용되는 이유는?	또한 빠른 전극반응은 산화·화원반응에 귀금속 촉매의 사용을 필요치 않기 때문에 전극재료로서는 니켈계 합금이 주로 사용된다. 그리고 용융탄산염은 작동시 액체상태로 유지되기 때문에 전해질을 다공질 세라믹인 매트릭스에 함침시키게 되고, 두 전극사이에 위치한 매트릭스는 전해질로 밀봉되어 있어 전극간의 가스의 누설을 막아주게 되며, 또한 전지 내부와 전지 바깥부분의 가스 밀봉역할도 수행하게 된다. 따라서 가스밀봉을 액체전해질이 자연스럽게 수행하게 되고 이러한 특성으로 대면적 전지의 제작이 용이하게 되는 장점을 가지고 있다. 따라서 MCFC는 대형발전시스템으로서 주로 개발되어 사용되고 있다.
	ISA법은 무엇인가?	전지에서의 반응해석 법으로서 기존의 정상분극법 (Steady state polarization), 교류임피던스법 (AC Impedance) 및 전류차단법 (Current Interruption)이 있으나 이 방법들은 각 전극에서의 과전압을 해석하는데 한계를 가지고 있어 보다 안정하게 전극반응을 해석할 수 있는 방법으로서 비활성가스 계단형 첨가법 (Inert gas step addition, ISA)과6) 반응물 첨가법(Reactant gas addition, RA)을7) 고안하였다. ISA법은 전극에 비활성가스를 계단형으로 첨가하여 반응물의 유량변화 및 분압변화를 유발하여 반응특성을 해석하며, 반응물 첨가법은 전극반응이 다성분계 반응시스템으로서 이 중의 한 성분을 계단형으로 첨가하여 그 성분이 유발하는 과전압의 정도를 해석할 수 있는 방법이다.

참고문헌 (12)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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